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拜科技進步所賜，目前汽車產業所導入的半導體設備應用，其產品技術正賣力地往前進。過去車上所采用的半導體元件只是旁枝末節的附加功能應用而已，但汽車本體從原本電氣系統為輔的機械系統，升級為電子系統為主的汽車專屬機電整合架構及電控系統，造就汽車制造廠與半導體廠就像魚幫水、水幫魚般地開拓出汽車工業另一片天空。如來一來，該發展趨勢不僅促進汽車市場對優質車電產品強大需求，還兼具降低成本效益的最佳解決方案。 另外，要如何表述車用半導體技術進步程度，除了微控制器、微處理器等產品在汽車獲得充分應用發展之外，砷化鎵（GaAs）、矽鍺（SiGe）等為基板的半導體技術，或以矽為基板的IC工業，除了量產技術外，就以未來應用面來看，將會是車用半導體元件主流。 半導廠商如何跟汽車工業打交道 過去，在汽車工業只重視電氣系統，卻不重視電子系統。舉例來說，就像車用照明設備，過去大多采用繼電器、熔斷器和電源開關作為主要模塊設計方式。而目前，許多半導體廠商則是開始強調「智能化」矽解決方案，帶領汽車工業進入嶄新的汽車設計時代。而這場汽車設計新興時代歷程，除了發生兼具傳統特質的電氣系統中，還與機械系統密不可分。攤開目前車上發動機控制系統，幾乎沒有汽車廠商還在使用舊有機械／電氣控制方式，而是改用符合現代科技，如：微處理器／微控制器等功能，使引擎／發動機充分發揮高效性能又安靜的電控系統，并可以遵循駕駛者需求準確地輸出引擎動力。 那么，因應半導體介入汽車工業程度越來越深，加上半導體供應商持續發展新技術與新工藝制程同時，要如何滿足汽車工業對半導體產品需求，便成為當前車用半導體廠商的終極任務。另外，車用半導體發展過程將可引領汽車工業進入成本、集成度都比目前車用系統應用的最佳方式。不過，這還是必須透過半導體供應商來跟汽車工業中的相關車電產業建立橋梁，才足以獲得上述進步空間。 為了達到上述目標，汽車制造商及一級零組件供應商，就必須透過意法、瑞薩、飛思卡爾…等這類型的半導體廠商，不斷地發展汽車專用技術及制程工藝，交由半導體供應商為車用半導體元件打造出專門技術與產品。而在同一時間，汽車制造商及一級零組件供應商，也開始為車上專用系統或專用設備。從此便能發現，一個優良的交流方式與過程，對汽車本身與車用半導體產品的拓展有多么重要。 基本上，被歸列為汽車工業中車用半導體開發過程，其實是基于階段性的交流方式，而在此發展模式之下，半導體供應商必須直接面對到一級車電產品供應商，而一級供應商再轉向面對汽車廠，以達相互交流目的。這是因為一級零組件供應商在整車系統中，手中握有部份特殊應用設備開發過程的專門技術訣竅。所以，這種交流方式對于打開封閉汽車工業是極具效果。 不過，對于仰賴汽車的其它系統設備協助執行目標功能，汽車制造商適時的加入尤其重要。因此，由汽車制造商、一級零組件供應商和半導體供應商便自然形成一個大集團，而這一大集團則采用供應鏈模式，在集團成員之間建立交流橋梁，汽車工業也正享受這一方式結果所帶來的好處。 從此能窺出汽車工業所帶來的好處 大多數半導體制造商各自擁有多項屬于自己專有的半導體技術及制程工藝，因此帶動半導體生產制造技術朝向高度智能化程度。另外，其低價成本更是主要關鍵；這么說好了，當半導體產業開始將注意力轉移到汽車工業時，這當中的好處將會由汽車制造商透過一級零組件供應商，最終還是會轉移到消費者身上。 那么，真正令人滿意的好處為何？今日的汽車制造商在長時間耕耘之后，已經開始獲得應有回報（當然，車用半導體廠商也是如此），目前可以見到許多路上奔馳中一般中等價位或經濟型的生活用車，內裝車電子系統搭載了智能化設備；由此可見，新開發中的汽車總成本其結構組成將與半導體設備成本，逐漸構成不可分的關系，而半導體的技術演進過程正大力地刺激汽車成本，促使汽車聰明程度日漸提升，反而成本卻是越來越低。 矽技術在車上應用必先突破 自晶體管（transistor）問世之后，便成為近代電子電路學中的核心應用元件，其主要功能可作為電流開關，就像控制水管中水流量的閥（valve），并與一般機械開關相較之下，最大差異在于晶體管是利用電流大小訊號來加以控制（如下圖所示），使得它的切換開關速度非常快（可達100GHz以上）。另外，這幾年晶體管演進過程，已經由原本的「鍺」轉變為「矽」的運用，這其中的變化使得矽半導體發展態勢，有了全面性改頭換面潮流。不過，最主要還是「應用環境」的問題，一旦矽技術要導入汽車上來加以應用，則必須要打破「矽」先天上在高可靠度需求及惡劣環境中的應用局限。若晶體管對于環境適應能力還遲遲無法改變，又或者矽技術無法突破原有應用領域巢臼，傳統機電型繼電器將持續以低成本、可靠度等優勢作為車用開關解決方案。 圖說：(a)機械閥與(b)晶體管功能比較圖。（資料來源：中興大學） 在半導體發展過程中，可以見到矽技術正快速地顛覆過去傳統觀念，并在先進矽技術之后，半導體廠商所開發的元件，不僅朝芯片大小及封裝尺寸方向來走，還要求提高元件內部智能技術含量。而所謂的智能技術含量，就是該技術能夠開發出對使用者更具有助益性的智能化應用。比方說：具有智能型無需熔斷器的汽車頭前燈控制器，可以用來保護汽車頭燈與車上電流上；又或者是智能型電動車窗升降，則不需要再另行安裝特定傳感器，就能達到即時監控車窗使用狀態與安全性。 不過，要如何在單一又具獨立性半導體元件中，建構出嵌入式系統功能的矽技術是非常重要。因為這項技術必須要能整合控制電路與場效應MOS驅動器，再搭配車上其它半導體元件來加以運用，便自然而然形成一項完善系統解決方案。不過，在一般情況下，矽結構下只允許設計一個低通態電阻的開關元件，如此一來，僅需運用極少的半導體元件，就能做到驅動性較大的負載作用；例如：直流電機、電磁閥及汽車頭燈等。再來，則在于有效率地整合出功率電子學，才得以適用于汽車產業、交通運輸、流通物業…等方面，以解決在 應用環境中的震動（振動）、溫度、濕度、耐久性開／關功能，并持續將開關感性負載，所引起的接觸退化等問題降到最低，使半導體設備能適用于道路、軌道、空中、海上…等領域的交通工具。 由此可見，矽技術與半導體制程工藝逐漸結合成為一體，加快實現智能化控制器半導體技術。而當矽的先進技術及制程工藝在相互整合后，便能為汽車工業創造出特有客制化設備，將以低成本達到高功能及最佳系統設計。不過，需要特別留意處，在于「認知上要能有所了解」。這是因為當設計驅動外部負載的車電系統時，首先要先認清采用矽元件的優點及局限，才能為車電系統中的設備，確定半導體內部架構及分布設計后，選用能即時應用的健全架構，確保汽車保持良好質量及高可靠性，再結合一級車用零組件供應鏈中的專有系統技術，運用在汽車制造商開發的每一臺汽車平臺上。 圖說：由于大部分中等價位的汽車上都裝設導航、安全及信息娛樂等系統，因此液晶顯示器便成為汽車的標準裝置之一。美國國家半導體特別為汽車生產商開發芯片組，確保汽車可以采用更少互聯機路及更長的電纜，以便降低汽車的整體系統成本。（資料來源：美國國家半導體） 非矽元件將誕生汽車工業應用 據日本科技媒體報導指出，日本有許多半導體廠商正在加快進行碳化硅（SiC）元件研究，而碳化硅涵蓋了汽車應用領域中的半導體開發技術。以日本電裝為例，該公司早在1995年時，就先行預測汽車領域的需求，并開始著手相關研究。從物理基礎應用原則來看，碳化硅已是能夠取代矽的制造工藝新技術，其優勢與矽元件相比，碳化硅元件導通電阻更低，還能大幅降低耗電量。依照理論計算，一旦將目前現有矽元件更替為碳化硅元件，可減少兩座核電站供電量。另一個優點在于，碳化硅元件在半導體作用下，閥值焊接溫度高達400℃以上，而矽元件卻只有175℃上下；因此，碳化硅元件在高溫下也能維持正常作用。 基本上，在汽車工業逐漸擴大應用趨勢，將有機會推動碳化硅技術發展。這是因為汽車上需要120℃以上高溫環境下，還能正常工作的半導體元件，因此具有高溫適應能力的車用半導體元件，將會大幅增加。另外，在車上高溫環境因素，矽元件還需要安裝散熱裝置，而碳化硅元件則不需要散熱裝置還能正常使用，以成本來考量，在元件上加裝散熱裝置后再進行比較的話，碳化硅元件實用門檻將會比矽元件來得較低。另一方面，在車上大電流驅動方面，對于電動汽車、燃料汽車及油電混合汽車等電力驅動電路而言，碳化硅會比矽元件更為合適。 不過嚴格說來，碳化硅元件在車電半導體產品中，其實際應用仍受到限制，除了半導體元件還未能符合實用水平之外，擴大普及化最大障礙，在于芯片缺陷密度高，無法提高成品良率，導致生產制造成本過高，將會是矽元件數倍之多。但…部分車用半導體廠商仍表示，一旦車載用碳化硅元件市場崛起，或者進入量產階段，那么就會加快減小芯片缺陷的開發，碳化硅元件成本過高劣勢將有所轉圜。 汽車半導體定位在高尖端科技 上世紀90年代前半期，LSI及FPD元件技術在市場發展原動力，主要來自于個人計算機，進入中后階段，則是以攜帶式通訊產品、無線設備逐漸替代之，成為在個人計算機之后的第二大市場動力。至今，許多半導體元件開發商開始轉移目標到汽車領域，甚至已有部份車用半導體技術領先的廠商表示，汽車已脫去「單使用性質成熟元件時代，今后則是往尖端技術方向發展」。長久以來，汽車工業不被歸類為尖端技術，而對負責安全的汽車廠商，運用實用化技術的不變原則，未來也不會有所改變。但…若是為了駕駛安全，而不得不采用尖端技術的話，那么運用尖端技術來協助汽車工業發展腳步將不會有所退怯。 在日本地區的豐田汽車已先行訂出在未來15年之內，要將汽車事故減少50％以上為主要發展目標，并計畫將汽車設計成為電子繭網絡。換句話說，就是采用百余個傳感器將汽車給覆蓋起來，并依據來自這些傳感器所偵測到的信息，利用電控系統對車上各設備進行安全控制。因此，必須要有各類型傳感器、可快速處理來自傳感器的大量信息的處理器、驅動電控系統的高耐壓LSI，以及能夠將LSI的可靠性提高到跟飛機元件互相媲美程度。 圖說：未來車用電子繭網絡架構圖。（資料來源：飛思卡爾） 未來車用半導體廠商 誰來扮演？ 甄選薄膜太陽能電池開發、發電元件組件開發、影像傳感器開發、電極材料開發、逆變器／轉換器制造…等技術開發人員，提供上述技術開發設計人員的單位，不是三洋電機或是夏普等元件廠商，而是日本豐田汽車在2004年開始征選的技術開發人員，由此不難窺探出汽車廠商積極地進行車載元件的開發動作。 「汽車廠商將成為半導體廠商」…在不知情的情況下聽到這句話，肯定有不少人會有所懷疑。但是，自從汽車廠商喊出自產核心元件口號時，上述情況將變得很有可能。以電子產業先前例子來看，比方說：Panasonic（松下電氣）、Sony（索尼）著手開發及量產數碼家電系統芯片；甚至在Sony方面，也開始準備量產液晶面板…。這是因為Panasonic或Sony將半導體及顯示面板，比喻為電子產業最重要的關鍵元件。不可否認未來在汽車上，半導體將成為關鍵元件，到時候豐田汽車也仿效Panasonic或Sony自行生產半導體元件，就成為非常自然的動作。 一般來說，在車用半導體最大使用者，「汽車工業」將開始自行生產半導體元件時，其中最大困難在于現有生產線，若在最初階段，還能克服生產線不足問題。但是隨著技術的進步生產線更新換代后，現有生產線就只能成為最大的問題。不過，無論是利用現有工藝即可生產的耐高壓LSI和傳感器，還是可與CELL媲美的高性能產品，估計均會在未來的汽車中得到應用，可以說汽車領域將逐步具備適合于開展半導體業務的應用價值。而最終汽車廠商自行開發半導體元件會發展到哪里種程度，就讓我們拭目以待。 |
